바이오인

출처: biozine

식물 유전자 칩의 연구동향과 농업에의 응용

임 채오, 이상열 (sylee@nongae.gsnu.ac.kr)

경상대학교, 식물 유전자 칩 국가지정연구실 (http://nrl.gsnu.ac.kr)

1. 식물 유전체 연구동향

1990 년 10월 미국에서 최초로 시작된 인간게놈 프로젝트는 각국의 치열한 연구경쟁과 컴퓨터 분석기술의 발전에 힘입어 당초예상보다 빠르게 인간유전자 게놈지도가 완성되므로서 인류의 달 착륙에 버금가는 연구성과를 얻게 되었으며, 이러 한 인간 및 동물 유전체 연구와 더불어 식물의 게놈연구도 엄청난 속도로 진행되어 왔다. 즉 2000년 12월 '애기장대'라는 모델식물의 전 체 유전자 염기서열이 밝혀진데 이어 1997년 싱가포르에서 열린 식물생화학회의에서 시작된 이래, 세계인구의 약 60%가 주식으로 하고 있는 벼 유전자의 염기서열분석이 아직 공개되지는 않고 있지만 2001년 완성됨으로서 곧 공식적인 유전자 지도가 공개될 것이다. 뿐 만아니라 옥수수, 콩, 배추, 등의 유용작물에 대한 유전자의 전체 게놈지도도 수년 내에 밝혀질 것으로 기대됨으로서 식물 유전 자의 염기서열 분석은 빠르게 완성되어 식물 생명체의 신비를 규명할 수 있는 단계에 도달되어 있다. 이와같은 식물 유전체 연구의 궁극적 인 목적은 인류 식량자원의 안정적 공급과 기아로부터 인류를 해방시키는 것으로서, 식물이 자연 환경변화, 즉 수많은 종류의 병원균 이나, 가뭄, 홍수, 일조량 변화 등에 적응하며 생존해 가는데 필요한 유용 식물 유전자원의 확보 및 유전자원의 기능규명과 이들 유전자의 도입 및 발현조절에 의한 생물학적 (biotic) 또는 비생물학적 (abiotic) 스트레스에 강력한 저항성을 나타내는 유용한 내재 해성 형질전환 작물을 개발하는 것이다. 이러한 유전자 조작 유용작물의 개발은 인류 생존에 필수적인 식량의 자원화와 엄청난 판매시장 확보 및 부가가치를 생산하는 '유전자 산업'으로서 이에 대한 연구경쟁은 미국과 유럽연합 국가들 사이에 치열하게 진 행되고 있다. 미국의 경우, 유전자조작 형질전환 작물의 허가신청이 1987년에 9개 품목에 불과하던 것이 1999년 989개, 2001년에는 5,000 여개에 이르러 있으며 작물의 종류뿐만 아니라 유용한 형질을 지니는 형질전환 작물의 재배면적도 전 세계적으로 96년 170만 ha에 불과하던 것이 2000년도에는 약 10,000만 ha 정도로 증가된 실정이다. 현재 재배되고 있는 형질전환 작물들 은 대부분이 제초제 저항성이나 내충성 유전자가 도입된 콩, 옥수수, 목화, 감자, 호박 등인데 앞으로는 식물체를 제조 공장 (bio- reactor)으로 이용하여 각종 의약품, 백신, 화장품, 생분해 플라스틱 생산 등 인류의 생존에 필요한 다양한 물질의 대량생 산 연구가 급속한 속도로 발전하여 유전자 조작 생산품들이 생산, 판매 될 것으로 판단된다. 그러나 이들이 특정한 표식이나 제조과정 에 대한 표기없이 수출, 입되고 판매되므로서, 인류는 알게 모르게 우리의 식탁에 형질전환 작물의 이용이 피할 수 없는 불가피한 상황에 도달되어 있는 현실로서, 앞으로는 형질전환 작물의 이용에 대한 소비자의 선별적 판매나 구매를 위하여 유전자조작 식품 (GMO)에 대한 다양한 검사방법이 시급히 개발되어야 할 것으로 판단된다.

궁극적으로 엄청난 부가가치를 제공하는 생명공학 산업을 위하여 세계 각국이 국가적 차원에서 생 명과학 분야 연구에 엄청난 투자를 하는 연구의 핵심적인 부분은 동, 식물 및 미생물을 포함한 생명체의 유전체 분석 연구와 이미 결 정된 염기서열 데이터를 바탕으로 특정조직이나, 환경조건, 발생단계 등에 따라 발현되어 생물체의 생육조절과 환경에의 적응기능을 수행하는 유용 유전자원의 발굴과 이들의 응용으로 요약될 수 있으므로서, 바야흐로 생명공학 산업은 유용 '신기능 유전자 확보 전쟁 의 시대'에 돌입하게 되었다고 해도 과언이 아닐 것이다. 이러한 기반 하에서 앞으로의 식물 생명공학 분야는, 유전자 염기서열 과 구조를 바탕으로 식물체의 기능을 인위적으로 변환시키거나 특정 생물체의 재현 등을 위한 유전자의 기능규명에 대한 연구 (functional genomics)가 우리가 수행해야 할 핵심과제이다. 따라서 이러한 식물 유전자의 기능규명을 위하여 high through- put system을 이용한 프로테오믹스, 유전자 칩, lab-on a-chip 등의 다양한 기술들이 빠른 속도로 개발되고 있 다. 이들 기술의 공통점은 대량의 유전자들의 기능을 빠른 시간 내에 규명할 수 있도록 고안되어 기존 생명과학 연구방법의 일대 혁신을 일으키며 단시간 내에 유전자의 기능규명과 진단이 가능하도록 발전됨과 동시에 이들 기술을 이용하여 발굴된 유용유전자 의 응용연구가 획기적인 방법으로 진행되고 있다.

2. 식물 유전자 칩 제조 및 응용

유전자의 기능규명을 위하여 개발된 대표적인 기술인 유전자 칩(DNA chip) 기술은 기존의 분자생물 학적 지식에 기계 및 전자공학의 기술을 접목시켜 만들어 진 것으로 기계 자동화와 전자 제어 기술, 즉 robotic 제어 시스템을 이용 하여 아주 작은 공간에 고밀도로 DNA를 집적시키는 기술로서 그림 1과 같은 단계로 분석된다.

<그림 1. 유전자 microarrary chip제조 및 분석의 핵심 기술과정 : Nat. Biotech. (1999) >

이 기술은 1995년 미국 스탠포드 대학에서 슬라이드 그라스 1cm2 공간 에 2,000개의 유전자를 집적시키는 것을 시작으로 현재는 엄지손톱 크기의 칩 위에 수천 - 수십 만개 의 유전정보를 지닌 유전자 박편을 집적하여 다양한 유전병, 암진단, 신약개발, 신기능 농작물 생산 등을 빠르고 정확하게 대 량으로 수행할 수 있는 기술을 가능하게 만들었다. 이러한 유전자 칩 기술은 게놈 프로젝트 및 기능 유전체학 연구분야에 해당하 는 기술로 게놈 수준에서 유전자 기능과 진단 검색을 탐색함으로서 인체의 질병연구 및 치료를 목적으로 개발, 활용되고 있으며 2010년을 분기점으로 바이오 산업의 핵심부분인 DNA 칩이 반도체 시장을 능가할 것이라는 분석하고 있다. 특히, 식물분야의 연구로는 새로운 유전자원을 발굴하며, 3만에서 5만에 이르는 식물 유전자 기능연구 뿐만 아니라 병충해 및 환경 스트레스 저항성과 같은 기능성 유전자의 집단적 분리 및 이들을 이용한 작물 육종, 첨단 농업, 검역체계, 유전자 재조합에 의한 신기능 작물 연구와 생 산 등 광범위한 분야에 활용되어질 수 있겠다.

하지만, 유전자 기능 분석용 칩 개발과 응용에 있어서의 관건은 칩에 부착할 수 있는 유전자를 얼 마나 많이 보유하고 있는가 하는 점이 핵심과제이다. 따라서 현재 미국과 유럽 및 일본에서도 유용 유전자원의 확보에 엄청난 연구 비를 투여하여, 신기능 유용유전자를 발굴하고 있으며 이들 연구자가 확보하고자 하는 유전자들로는 주로 난치병 유전자 진단, 암 진단 유전자, 신약개발이 가능한 신기능의 유전자 발굴과 확보에 대한 연구를 수행하고 있다. 동물에서의 연구와 함께 앞에서 언급한 바와 같 이 벼, 콩, 옥수수, 감자, 목화 등의 유전체 분석에 의하여 식물체를 대상으로 한 연구는 다양한 병충해 저항성, 환경재해 저 항성 유전자원의 확보를 위한 경쟁이 치열하게 진행되고 있는 실정이다. 한편 국내에서도 벼의 genome 프로젝트와 Arabidopsis genome 프로젝트와는 별도로 식물의 유용 유전자 cDNA pool의 확보에, 농업생명공학 프런티어 연구 과제, 농진청의 bio-green project, 경상대, 포항공대, 전북대 등에서 수행하는 국가지정 연구실 및 과기부, 산자부, 각종 지 방 자치단체 등에서 수행하는 국가적 생명공학 연구단지 조성을 위한 바이오-벨트 구축 등 많은 연구부서와 연구원들이 많은 연 구를 수행하고 있음으로서 농업생명공학 분야에서의 국제적 경쟁력을 갖추어 가고 있다. 특히, 본 연구팀에서 수행하는 식물유전자 칩 제조 에 대한 국가지정연구실에서는 세계적 유전자 자원 확보 경향을 비교적 일찍 인식하고, 다른 선발 국가와 비슷한 시기에 우리 나라의 대 표적인 채소작물인 배추를 대상으로 cDNA project (http://nongae.gsnu. ac.kr/~tbcg), 생체방어신호전달관련 유전자 pool 구축사업을 시작하여 유전자 확보 경쟁에서 식물분야의 국제적 우위를 확보하고 있다. 특히, 1992년부터 배추 유전자은행을 설립, 배추로부터 유용 유전자 자원(EST)을 확보해 왔고, 확보된 유전자 자원은 국내뿐 아니라 국외 database에 그 정보를 등록하여, 각 유전자에 대한 정보제공과 유전자 자원을 필요한 연구자들에게 분양함으로써 이 분야의 선발국과 동등한 유전자 자원 주도권 확보 및 국제적 위상을 정립하고 있다. 본 연구팀에서 확보한 식물 유전자 자원은 full-length gene과 EST 를 합하여 약 10,000 개이며 현재 세계 8위(1997년 기준 세계 3위)를 마크하고 있고 최근까지 분리한 유전자를 등록할 경우 약 12,000 개의 유용유전자가 이미 확보되어 있다.

3. 식물 유전자 칩의 활용과 미래산업

인간이나 동물의 유전자를 이용한 유전자 칩 기술은 질병의 징후를 예측하거나 치료 방법을 선택하 는데 유익한 정보를 제공하여 향후 몇 년 이내에 일반병원에서 흔히 사용 가능한 진단도구로 활용될 것이다. 유전자 칩은 세균 감염여 부, 신약개발, 항생제 내성 검사 뿐만 아니라, 인류의 건강검진을 위한 진단방법으로 병원에서 질병진단과 치료에 획기적으로 이용 될 것이다. 따라서 유전자 칩을 이용하여 유전적 결함을 진단할 경우, 출산 전부터 태아의 유전자 변형이나 돌연변이 등에 의한 유전적 결함 의 진단과 원인규명이 가능하게 되고 유전적 암호의 변이확률에 근거한 미래의 질병유발 예측도 가능하게 될 것이다. 이와함께 유 전병의 치료방법이 획기적으로 바뀌게 되어 질병의 근원인 돌연변이 유전자를 정상적인 유전자와 치환하기 위하여 정상 유전자를 운반체 (vector) 유전자를 지닌 바이러스에 주입해 목적세포에 투여하므로서 비정상적인 세포의 자살과 정상세포의 성장을 유도하는 유전자 치 료법이 활성화되고 유전자의 변이를 막아주는 유전자 백신 개발도 가능하게 될 것으로 추정된다. 이러한 유전자 치료는 질병의 원인을 유전자 수준에서 치료하므로서 난치병 (암, 에이즈, 심장병, 악성 뇌종양, 백혈병, 면역 결핍증, 치매, 등)의 치료 및 진단과 치료방법 을 근본적으로 변환시키게 될 것으로 추정되는데 이미 미국에서는 이러한 유전자 치료법을 개발하여 뇌종양, 고셔병, 악성 흑 색종 등의 난치병에 대한 임상연구를 진행 중에 있다. 현재 유전자 칩을 제조 개발하는 세계적인 회사와 현황을 살펴보면 표 1과 같다.

인간이나 동물의 유용유전자를 이용한 유전자 칩의 제조와 응용이 엄청난 속도로 발전하는 것과 발 맞추어, 식물분야에서의 내병, 내충성 및 환경재해 저항성 유용작물의 개발을 위한 식물 유전자 칩의 연구도 활발히 진행되고 있 다.

<표 1. 주요 DNA chip 개발회사 및 연구현황>

현재 Takara (일본) 회사에서 Arabidopsis에 대한 2,000개의 유전자가 집적된 cDNA 유전자 칩을 제 조 판매하고 있으며 유전자원을 제공할 경우 유전자 칩을 제작해 주는 서비스도 제공하고 있다. 이와 함께, 본 연구팀에서도 3,000개의 유용 유전자가 집적된 배추와 고추 유전자 칩을 제조하여 다양한 환경스트레스 처리와 식물의 특정 조 직, 부위, 발달단계에 따른 유전자의 집단적 발현 패턴분석과 이들로부터 기존에 알려지지 않은 새로운 신기능 유전자를 100여종이상 확 보하여 식물체 내에서의 기능규명 연구를 수행하고 있다. 이러한 식물의 신기능 유용유전자를 발굴하는 것 이외에도 본 연구팀에서 식물 유전자 칩을 이용하여 수행하고 있는 연구분야는 다음과 같이 다양한 연구분야에 대하여 연구를 진행중에 있다. 첫째, 많은 논란 이 되고 있는 유전자 조작 식품(GMO: genetically modified organism)의 판별에 있어서 지금까지 수행하였던 방법보다 훨씬 신빙성이 높 은 분석 결과를 단 한, 두장의 칩을 이용하여 기존분석 방법 (3-4일)보다 매우 짧은 시간 (6-8시간)에 분석 할 수 있는 연구를 진행중에 있다. 둘째, 수출입 작물의 검역 역시 한, 두장의 chip으로 수출입 작물의 병원체 감염 여부와 독 소 검증 및 농약의 과다 투여 등을 간단히 진단할 수 있는 chip의 개발 연구를 수행중이다. 이들은 모든 농작물 검역기관 에서 새로운 진단 시약으로 이용하게 될 것이다. 세째, 식물 병 방제를 위해 엄청난 농약이 해마다 살포되고 있는데 이들 농약 은 환경파괴, 지하수 오염 등 그 피해는 이루 말할 수 없다. 따라서 농약 처리에 의한 병원체의 유전자 발현을 분석함으로서 병 원체에 가장 효과적으로 작용할 수 있는 생물 신농약을 개발하는 연구를 진행하고 있다. 네째, 식물이 병원균에 감염되면 그 감염 원이 무엇인지 정확히 알 수 없는 경우가 흔하며 특히 바이러스 감염에 대한 방제 약이 거의 없는 실정이다. 이때, 포장에서 유전자 chip을 사용하여 진단을 함으로서 각종 식물 질병의 정확한 진단이 가능하게 되고 적절한 농약의 선택 및 조기 예방을 가능하게 하 는 연구가 진행중이다. 이외에도 유전자 칩 제작 기기의 조립생산 기술 제작기술을 국내, 외 연구자에게 보급하고 산업화를 위한 대 량 생산을 목표로 벤처기업 등을 육성하고자 한다.

4. 유전자 칩의 미래시장과 바이오 인포매틱스 및 나노기술과의 네트워킹

난치병, 암 등의 질병 진단 및 치료, 신약개발, 항생제 내성 검사, 바이오 의약품, 바이오화학, 환 경정화 공정 및 복원기술개발, 고품질 고수확 식량생산, 대체 에너지 생산 등을 위한 미래 생물산업의 규모는 전 세계적으로 1998 년 376억 달러에서 2010년에는 8000억 달러 이상으로 증가하는 높은 성장률을 보일 것으로 예상되고 있다. 더욱이 항암제 인터페 론의 경우 g당 가격이 5천달러 이상으로 금의 3백57배, 반도체의 14배에 달하는 정도이기 때문에 생명공학 방법에 의한 유전자산 업의 부가가치는 실로 엄청난 수준이다. 이와같은 외국에서의 생명공학 시장 발전은 국내시장에서도 유사한 경향을 보이고 있어 서 2000년 형성된 약 2조원의 생명공학 시장이 2010년에는 약 40조원에 이를 것으로 예측되고 있다. 하지만, 미래의 생명공학 산 업구축을 위한 연구개발 투자가 최소 3년에서 10년 또는 그 이상 걸리는 장기 프로젝트이기 때문에, 중, 장기적이고 계획적인 연구 투자와 개발이 필요하다.

따라서 이러한 유전자 산업의 핵심산업인 유전자 칩의 제조와 이용에 있어서 시급히 해결해야 할 문제점을 지적해 본다면, 인간의 경우 30억 base이고 앞으로 해독되어질 수많은 생명체의 유전체 분석결과물의 엄청난 유전정보를 체계적으로 관리하고 그들의 기능규명을 하기 위해서는 데이터 베이스의 관리와 저장, 체계적인 분류에 의한 서비스 등을 위한 소프트웨 어, 웹 관련 하드웨어 시스템 등의 전자공학적 지식이 필수적으로 네트워킹 되어 함께 발전하고 결과물의 활용에 협력하는 바이오 인 포매틱스가 뒷바침 되어야 한다. 특히 질병 유전자의 진단과 치료 등에 이용 가능한 랩 칩 (lab-on-a-chip)의 개발을 위해서는 수백 평 의 엄청난 공간과 시설 및 장비를 사용하는 생화학 실험실 기기들이 요구되는 유전자 분리와 증폭, 유전 반응분석, 및 데 이터 판독 등을 가로 4cm, 세로 5mm, 두께 1mm 정도의 아주 적은 초소형의 반도체 칩 위에 장착시켜야 하고 고도의 정밀성 및 반복성이 필요하기 때문에 생명공학 발달에는 나노기술의 개발과 컴퓨터 산업이 매우 긴밀하게 결합되어 발달할 수 있을 때만 이 소기의 목적을 달성할 수 있게 될 것이다. 따라서 예측이 불가능할 정도의 엄청난 국내의 생명공학 시장 뿐 만아니라 전 세계적 인 생명산업 시장에 능동적으로 대처하여 유전자 산업에서 경쟁력을 확보하기 위하여는 국가적 차원에서 집중적이고 조직적이며 계획적인 연 구투자가 지속적으로 투자되는 것이 필수적인 당면과제라고 할 수 있겠다.

5. 관련 웹사이트들 
 

이러한 유전자 칩과 생명공학 산업에 관련된 연구의 대표적인 웹 사이트를 소개하면 다음과 같 다.

1) http://nrl.gsnu.ac.kr

2) http://www.Genechip.co.kr

3) http://www.affymetrix.com

4) http://www.nanogene.com

5) http://cmgm.stanford.edu/pbrown/

6) http://www.microsensor.com/

7) http://arrayit.com

8) http://www.cartesian.com